DE1952293A1

DE1952293A1 - Verfahren und Anordnung zur Messung von zeitabhaengigen Ortskoordinaten

Info

Publication number: DE1952293A1
Application number: DE19691952293
Authority: DE
Inventors: Mazza Robert Vito
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1968-10-31
Filing date: 1969-10-17
Publication date: 1970-05-21
Also published as: FR2021974B1; CH493077A; SE349672B; DE1952293B2; NL6915118A; US3582962A; FR2021974A1; ES372050A1; BE738660A; GB1269787A; JPS5026060B1

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Getelhchaft mbH

Böbiingen, 23. September 1969 blu-hn

Anmelderin:

International Business Machines Corporatinn, Armonk, N. Y. 10 504

Amtliches Aktenzeichen:

Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket YO 9-68-020

Verfahren und Anordnung zur Messung von zeitabhängigen Ortskoordinaten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung von zeitabhängigen Ortskoordinaten entlang eines Spannungsteilers, wobei die Ortskoordinaten durch eine manuell entlang des Spannungsteilers geführte und über eine Impedanz mit. diesem gekoppelte Abtastvorrichtung vorgegeben werden.

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Es sind bereits Anordnungen zur elektronischen Abtastung der Position eines Schreibstiftes bezüglich einer Schreibplatte bekannt geworden, insbesondere für die Eingabe von graphischen Daten in einen Computer.

Bei einer bekannten Anordnung dieser Art wird eine . Spannung über eine Widerstandsanordnung, die als

Schreibplatte dient, linear verteilt. Der entlang der Platte auftretende Spannungsabfall wird abgetastet und liefert eine Anzeige für die Position des Schreibstiftes,, Durch Umschalter kann die Spannung zwischen einer X- und einer Y--Richtung umgeschaltet werden, so dass durch entsprechende Messung am Ausgang des Schreibstiftes eine zweidimensionale Position des Schreibstiftes feststellbar ist. Der Schreibstift ist kapazitiv mit der Schreibplatte gekoppelt, woraus sich bei der bekannten Anordnung jedoch Schwierigkeiten ergeben. Eine eventuell zwischen der Schreibplatte und dein Schreibstift angeordnete Schreibvorlage zur visuellen Sichtbarmachung der graphischen Daten muss eine unbedingt

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gleichmässige Stärke aufweisen. Ausserdem muss der auf den Schreibstift manuell ausgeübte Druck während der gesamten Schreibbewegung gleichmässig sein. Sind diese beiden Voraussetzungen nicht gewährleistet, tritt eine störende Variation der Koppelkapazität auf.

Ferner ist eine digital arbeitende Anordnung dieser Art bekanntgeworden mit einer Schreibplatte, deren Oberfläche ein Drahtgitter enthält. Abgesehen von den Herstellungsschwierigkeiten und den Schwierigkeiten bei der Ansteuerung dieser Schreibplatte, lässt das Auflösungsvermögen dieser Anordnung im allgemeinen sehr zu wünschen übrig.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung von zeitabhängigen Ortskoordinaten anzugeben, das einfach im Aufbau und in der Herstellung, betriebssicher und von gutem Auflösungsvermögen ist. Diese Aufgabe wird für das eingangs zitierte Verfahren erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass am Ausgang der Abtastvorrichtung eine erste, über den Spannungsteiler

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zugeführte Ausgangs spannung gemessen wird, die eine Funktion der Ortskoordinaten der Abtastvorrichtung und "der Koppelimpedanz darstellt, dass auf die gleiche Weise eine zweite Ausgangsspannung gemessen wird, welche eine Funktion der Koppelimpedanz ist, und dass in einer nachfolgenden operation aus den beiden gemessenen Ausgangs spannungen die gesuchten Ortskoordinaten ermittelt werden. .

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der ' Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Anord

nung mit einem eindimensionalen Spannungsteiler,

Fig. 2 das Schaltbild eines elektronischen

Schalters 23 gemäss Fig. 1,

Fig. 3 verschiedene Signale, die in der in

Fig. 1 gezeigten Anordnung auftreten,

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6äD ORfGfNAL

Fig. 4 " · das Blockschaltbild einer Anordnung mit einem zweidimensionalen

V ■ -

Spannungsteilerund

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel des zwei

dimensionalen Spannungsteilers . gerriäss Fig. 4.

Zur Verdeutlichung des im folgenden benützten Prinzips der Erfindung ist in Fig. 1 eine eindimensionale Messanordnung gezeigt. Ein Taktgeber 11 steuert einen N-stelligen binären Zähler. Von der Stelle M dieses Zählers werden Treiberimpulse an ein Filter 17 gegeben, Die Impulsfolgefrequenz dieser Treiberimpulse entspricht einem Bruchteil der am Taktgeber 11 auftretenden Impulsfolgefrequenz, sie ist jedoch grosser als die am Ausgang-N des Zählers auftretende Impulsfolgefrequenz. Die Aufgabe des Filters 17 besteht darin, die vom Zähler 13 empfangenen Impulse zu verstärken und sie in eine periodische Sinusschwingung_;entsprechend Zeile a in Fig. 3,umzuformen. Die Sinusschwingung wird einem Spannungsteiler 15

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zugeführt, der in dem Widerstand der Schreibplatte realisiert ist. Der in Fig. 1 angedeutete Abgriff am Widerstand 15 entspricht dabei der Spitze des Schreibstiftes. Selbstverständlich lässt sich anstelle einer Sinusschwingung jede beliebige andere periodische Schwingung verwenden.

Der Zähler 13 steuert ausserdem ein Flip-Flop 19 sowie ein Register 21. Die Flip-Flop-Schaltung 19 steuert die Abtastintervalle von Schaltern 23, 25 und 27.

Die Kapizität zwischen der Oberfläche der Schreibplatte und der Spitze des Schreibstiftes ist in Fig. 1 durch einen Kondensator 29 angedeutet. Ueber diesen Kondensator werden die am Spannungsteiler 15 abgegriffenen Wechselspannungs signale einem synchronisierten Detektor 31 zugeführt. Die in Zeile din Fig. 3 angedeutete Ausgangsspannung des Detektors 31 wird über den Schalter während eines ersten Abtastintervalls direkt einem

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Integrator 33 zugeführt. Währendeines zweiten Abtast-Intervalls wird die Aus gangs spannung des Detektors 31-von einem Inverter 39 invertiert und über den Schalter 27 dem Integrator 33 zugeführt.

In Fig. 4 ist die auf den Fall der zweidimensionalen Abtastung erweiterte Schaltung dargestellt. Eine Schreibplatte 45 besteht aus einem sowohl in X- als auch in Y-Richtung wirkenden Spannungsteiler. In Fig. 5 ist als Beispiel eine aus zwei Widerstandsschichten bestehende Platte angedeutet. Ebensogut lässt sich jedoch eine aus einer einzigen Schicht bestehende Platte verwenden.

Der in Fig. 4 angedeutete Schreibstift 43 dient zur Spannungsabtastung und kann aus einem bekannten Kugelschreiber mit einer elektrisch leitenden Mine bestehen. Mit diesem Schreibstift wird eine von der' Form der beschriebenen Figur abhängige Spannung abgetastet und ausserdem eine sichtbare Aufzeichnung auf einem Medium, das zwischen der Schreibplatte und dem Schreibstift angeordnet ist, vorgenommen.

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ORIGINAL

In Fig. 4 sind zusätzlich zu den in Fig. 1 vorhandenen Anordnungen UND-Schaltungen 55 und 57, Register 59 und 61, Schalter 47 und 49 sowie ein zweites Flip-Flop Vorgesehen,

Die Schalter 47 und 49 schalten, gesteuert von dem

k zweiten Flip-Flop 51, die Abtastspannung alternierend

zwischen der X- und Y-Richtung um. Auf diese Weise können "Spannungsmessungen in beiden Richtungen vorgenommen werden. . .
« .■".-.-.

Im folgenden wird anhand der Fig. 1 eine Fanktionsheschreibung der Schaltung gegeben, mit der eine digitale Ausgangs spannung in eine lineare Beziehung mit der Schreibstiftposition gebracht wird. Der elektronische Schalter 23dient zur Modulation der von Filter 17 abgegeben Spannung V sin u/t, die ν dem Spannungsteiler 15 zugeführt wird. Die Frequenz w dieser Spannung ist so gewählt, dass eine gute Kopplung zwischen der Schreibplatte und dem Schreibstift gewährleistet ist. Die Frequenz, mit welcher der Schalter 23

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diese Spannung moduliert, wird durch den Zähler 13 bestimmt, Dieser Zähler schaltet die Flip-Flop-Schaltung 19 mit einer Impulsfolgefrequenz, die grosser ist als die Frequenz, mit der sich die Koppelkapazität ändert.- Der Schalter 23 schaltet zwischen Massepotential für den Abtastvorgang und .der Referenzspannung für den Modulationsvorgang um.

Die Ausgangsspannung des Filters 17 ist in Zeile a in -Fig. 3 und die Referenzspannung V'(t) der Flip-Flop-Schaltung 19 in Zeile b dargestellt. Das modulierte Signal, wie es am Abgriff des Spannung steiler 15 auftritt, ist in Zeile c gezeigt. Diese Spannung, die mit V bezeichnet ist, wird von dem Detektor 31 verstärkt und in ein Ausgangssignal gemäss Zeile d in Fig. 3 umgewandelt.

Gemäss dem Diagramm in Fig. 3 ist zwischen den Zeitpunkten T und T die Referenzspannung am Ausgang des Flip-Flop 19 auf dem unteren Potential, während die Abtastspannung eingeschaltet ist. Der Schalter 23 liegt

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an Massepotential, auf das die Spannung V * bezogen ist. Während dieses Abtastintervalls ist die Spannung V ,

die von dem Schreibstift abgetastet wird, eine Funktion der Position X dieses Schreibstiftes, wie sie von dem Verhältnis zwischen R. und R angezeigt wird, und von der

ί Ct ■ _

Koppelkapa.zität.

Die Spannung V lässt sich in dem Intervall T bis T angeben durch:

v_m(t) = κ *i_

IN c

^Ro

wobei R = R + R , und K die Koppelkapazität bedeuten. Dabei ist angenommen, dass der Detektor 31 für den Spannungsteiler 15 einen vernachlässigbar kleinen; Lastwiderstand darstellt. Die Ausgangs spannung V- ■-._ des Detektors 31 lässt sich für das Zeitintervall . zwischen T und T₁ durch den folgenden Ausdruck .

M- *

angeben: : ■ ; -. -,

YO 9-68-020 - lo -■■-■ 009L82 1 / 0 33 4

wobei X der Abstand der Schreibstiftspitze von dem an Masse liegenden Ende des Spannungsteilers 15 bedeutet, L die Gesamtlänge des Spannungsteilers und K von der Koppelkapazität und der Verstärkung des Detektors 31 abhängt.

Zu Deginn des Intervalls zwischen T und T wird der Schalter 23, gesteuert von dem Flip-Flop 19, in die Referenz stellung gebracht. Jetzt ist die Amplitude der Spannung V „ eine Funktion der Amplituden von V. und V , wobei V derjenige Anteil der Spannung V. ist, der bei Auftreten des. vom Flip-Flop 19 kommenden Steuersignals V (t) von dem sich in der Referenzstellung befindenen Schalter 23 durchgelassen wird. Während dieses Zeitintervalls lässt sich die Spannung V. ausdrücken dutch:

= K

YO 9-68-020 '.-.U-- 009.821/0334

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Da ein mechanischer Schalter 23 eine vernächlässigbare Impedanz aufweist und daher einen Modulationsgrad von 100% verursacht, ist V = V und V (x) = KV , unabhängig von der Position des Abgriffs am Spannungsteiler 15.

Auf diese Weise ist während des Zeitintervalls T^ bis T die Amplitude der Ausgangsspannung V des Detektors 31 eine Funktion sowohl der Schreibstiftposition als auch der Koppelkäpazität, während im Intervall T. bis T die Amplitude der Ausgangs spannung V_n nur eine Funktion der KÖppelkapazität

- ist, ■■ ""■■■"■"'■ ... "- : ■ "..' .

.■♦■■'-':--. - ■ " - ■'■■■.-

Die Integration der Ausgangs spannung V. des Detektors 31 während des festen Zeitintervalls T_ bis T ergibt:

T T

X Λ

f V_n dt = -Kj X/L· Vjdt ± LX/L V₁ (T₁-T₂) . T

T T

2 2

Mit Beginn des Zeitpunktes T wird die Ausgangs spannung V des Detektors 31 integriert, bis sie den sich aus der obigen Formel ergebenden Integrationswert erreicht, dh. bis .

Γ V¹ - S V₀Ut = κ x/L V₀(T₁-T₂) ■- κ ^v₁ = ο

2 ^Tl

^{α Λ}" 00 982 1/033

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χ Λ

Daraus ergibt sichr — - ^υ

L T-T

·.· ι ζ

Das bedeutet, dass die Stellung des Abgriffs am Spannungsteiler 15 direkt proportional ist der Integrationszeit t des Referenzsignals, unabhängig von der Koppelkapazität.

Es sei noch bemerkt, dass die Schalter der Figuren I und 4 durch die in Fig. 2 angedeuteten Transistorschalter ersetzt werden können. Insbesondere ist die Referenzstellung des Schalters 23 in den Figuren 1 und 4 dadurch gegebenen, dass Transistor 22 leitend ist, während Transistor 24 ausgeschaltet ist. Es ist selbstverständlich, das für den Transistor 22, der zu diesem Zeitpunkt eine vernachlässigbar kleine Impedanz aufweist, die oben ■ abgeleitete Beziehung gültig bleibt, nach der die Stellung des Abgriffs am Spannungsteiler 15 allein eine Funktion der Integrationszeit t ist.

Die Abtast- und Integrationsanordnung in den Figuren 1 und 2 dient der Messung der Integrationszeit t. Da die Zeitspanne zur Messung während des Intervalls T

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ORlGlNAl

bis T klein ist im Vergleich zu der Frequenz, mit der sich die Koppelkapazität ändern kann, ist die Zeit t unabhängig von dem speziellen Wert der Kapazität.

Auf Grund eines Steuerimpulses des Flip-Flops 19, der von einem abgeschlossenen Durchlauf des Zählers 13 ausgelöst wird und der denBeginii des Intervalls T bis T anzeigt, werden die Schalter 23, 25 und 27 in ihrer Abtaststellungen gebracht. Wenn demnach der Schalter 23 mit Massepotential verbunden ist, ist die Amplitude der vom Detektor 31 kommenden Spannung V_n eine Funktion der Schreibstiftstellung und der Koppelkapazität. Das in Zeile d in Fig. 3 gezeigte Signal V_n wird von dem Integrator 33 gemäss Fig. 1 in das in Zeile e in Fig. 3 gezeigte Signal umgewandelt. Am Ende des Intervalls T bis T , das durch einen vollen Durchlauf des Zählers 13 festgelegt ist, ändert der Flip-Flop 19 seinen Zustand, wodurch die-Referenzsteuerleitung aktiviert wird. . ·

YO 9-68-020 "'■■■* M- 009 8 21/0 33

OBIGlHAL

Dadurch werden dio Schalter 23, 25 und 27 alle in die Referenzßtellung gebracht, während die Ausgangs spannung des Integrators 33 beibehalten" wird. Die Amplitude der Ausgangsspahnuhg V vom Detektor 31 hat damit die Gestalt einer Referenzspannung, die allein von der Koppelkapazität abhängt.

Während sich die Schalter 25 und 27 in der Referenzstellung befinden, wird die Spannung V von dem Inverter 39 invertiert, worauf der Integrator 33 ein abfallendes Integrations signal liefert, wie es in Zeile e in Fig. 3 angedeutet ist. Wenn dieses ititegierte Signal den Wert 0 erreicht, ist der Integrationswert der Referenzspannung gleich dem Integrations wert während des Abtastintervalls.

j Die Zeit t «die zur Erreichung dieses Wertes erforderlich ist, ist,wie bereits gezeigt,direkt proportional der Schreib-

' «tiftposition. . .

l§iti Null-Detektor 35 registriert den Zeitpunkt, andern die abwärts gerichtete Integrationskurve den Wert 0 erreicht*

YQ 9-68-07.0

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BAD. ORIGIN AL*

Es sei. bemerkt, da'sj» das Ausgangssignal des Detektors 35 dazu benutzt werden kann, das Referenzintervall durch Umschaltendes Flip-Flops, 19 zu verlängern. In diesem Fall würde das Referenzintervall, wie es in Zeile b in Fig. 3 gezeigt ist,, in seiner Länge moduliert werden, wodurch sich ein analoges Ausgangs signal für die Schreibstift-. position erhalten Hesse.,

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel jedoch wird das Ausgangssignal des Detektors 35 dazu benutzt, dem Register 21 die gerade anfallende binäre Stelle des Zählers 13 einzugeben und ausserdem über das zweite Flip-Flop 37 den Schalter 27 zurückzustellen.

Da der Zähler 13 in dem Augenblick gestartet wurde, als mit der Messung der Zeit t begonnen wurde, ist diejenige binäre Zahl, die am Ende der Zeit t in das Register 21 eingegeben wird, ein Kriterium für die digitale Schreibstiftkoordinate zu diesem Zeitpunkt.

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Das zweidimensionale'Abtastsystem von Fig. 4 entspricht im Prinzip der Arbeitsweise der in Fig. 1 gezeigten

Anordnung mit dem Unterschied, dass das periodische Signal alternierend in X- und Y-Richtung durch die Schreibplatte 45 gegeben wird. Die Schalter 47 und 49 schalten den Strom zwischen der X-Richtung und der Y-Richtung um, in Abhängigkeit von dem erhaltenen Steuersignal. Die mit den Schaltern 47 und 49 gekoppelten Masseschalter 46 und 48 verbinden den für die X-Richtung bestimmten Strom mit Masse, während der Strom in Y-Richtung durch die Schreibplatte fliesst. Umgekehrt wird der für die Y-Richtung bestimmte Strom an Masse gelegt, wenn der Strom in X-Richtung fliesst.

Die Schalter 47 und 49 werden durch einen dritten Flip-Flop 51 gesteuert, der jedes Mal bei Auftreten der Vorderflanke eines von dem Flip-Flop 19 kommenden Impulses seinen Zustand ändert. Auf diese Weise werden die Schalter 47 und 49 gleichzeitig alternierend zwischen der X- und Y-Richtung umgeschaltet. Während die

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Schalter in dieser Position verharren, läuft ein vollständiger Messzyklus ab. Die digitalen Koordinaten der Schreibstiftposition, wie sie durch das Auftreten des vom Zähler 13 kommenden Zählimpulses beim Null-Durchgang bestimmt ist, werden in Registern 59 bzv/. 61 gespeichert, je nachdem ob die Koordinaten der X- oder der Y-Richtung angehören. Wenn die Schreibstiftposition in der X-Richtung gemessen wird, öffnet ein entsprechender AusgangsimpulSjdes Flip-Flops 51 die Umschaltung 57 und erlaubt damit die Eingabe des Null-Durchgangsimpulses auf das X-Register. In entsprechender Weisewird bei der Messung der Y-Koordinate die Umschaltung 55 von dem Flip-Flop 51 vorbereitet, um den Null-Durchgangsimpuls in das Y-Register einzugeben.

Während der Schreibstift also über die Schreibplatte geführt wird, entstehen punktweise Koordinaten des Weges, den der Schreibstift zurücklegt. Dabei muss die Geschwindigkeit der Schreibbewegung jedoch geringer sein als die Geschwindigkeit, mit der die

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Koordinaten gemessen werden. Wenn die, beschriebene Spannungsteiler schaltung aus einer homogenen und gleichmässigen Anordnung besteht, werden alle Stellen der Schreibplatte erfasst. Auf diese Weise wird ein hohes Auflösungsvermögen der Anordnung und eine gute Ansprechbarkeit erreicht. Obwohl im Ausführungsbeißpiel ein Ohmscher Spannungsteiler beschrieben wurde, ist auch die Verwendung eines Blindwiderstandes ' möglich.

Die im Ausführungsbeispiel beschriebene serielle Abtastung lässt sich auch durch andere Abtastverfahren ersetzen. Beispielsweise können mehrere Abtast- und Referenzsignale kombiniert und anschliessend verglichen oder korrelierl werden, um Korrektursignale für die Aenderung der Schreibstiftgeschwindigkeit abzuleiten, oder um Variationen in der dynamischen Kopplung auszugleichen, oder um Frequenzcharakteristika festzulegen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zur Messung von zeitabhängigen Ortskoordinaten entlang eines Spannungsteilers, wobei die Ortskoordinaten durch eine ma- - nuell entlang des Spannungsteilers geführte und über eine Impedanz mit diesem gekoppelte Abtastvorrichtung vorgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang der Abtastvorrichtung eine erste, über den Spannungsteiler (15) zugeführte Ausgangs spannung gemessen wird, die eine Funktion der Ortskoordinaten der Abtastvorrichtung und der .Koppelimpedanz (29) darstellt, daß; auf die gleiche Weise eine zweite A us gangs spannung gemessen wird, welche eine Funktion der Koppelimpedanz ist, und daß in einer nachfolgenden Operation aus den beiden gemessenen Ausgangsspannungen die gesuchten Ortskoordinaten ermittelt werden.
2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine der Abtastvorrichtung nachgeschaltete Integrationsstufe (33) zur Integration der ersten Ausgangs spannung über ein vorgegebenes Zeitintervall und der zweiten Ausgangsspannung, ferner gekennzeichnet durch einen Zeitgeber (11, 13) zur Abgabe einer Zeitsequenz und zur Auslösung der Integration der von einer Referenzspannung verursachten zweiten Aus gangs spannung mit Beginn der Zeitsequenz, und durch eine Anordnung zur Messung desjenigen Zeitintervalls t^ innerhalb der vom Zeitgeber abgegebenen Zeitsequenz, das vergeht, bis der Integrationswert der

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ersten Ausgangs spannung gleich ist dem Integrationswert der Referenzspannung innerhalb des vorgegebenen Zeitintervalls.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Zeitgeber ein Taktgeber (11) und ein rückstellbarer Zähler (13) vorge-; sehen sind, wobei die Kapazität des Zählers so bemessen ist, daß dessen mögliche Zähldauer größer ist als das Zeitintervall t .
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Messung des Zeitintervalls t ein Register (21) umfaßt, das mit den Ausgängen des Zählers (13) verbunden ist und bei Gleichheit der beiden Integrationswerte dessen Zählwert übernimmt.
5. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen an den Eingang des Spannungsteilers (15) angeschlossenen Umschalter (23) zur Umschaltung zwischen einer ersten Spannung während eines ersten Intervalls und einer Referenzspannung während eines zieiten Intervalls.
6. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen zweidimen-

sionalen Spannungsteiler (45) und durch Umschalter (47, 49) zur

Umschaltung eineli· periodischen Eingangs spannung zwischen einer X- und einer Y-Richtung innerhalb des Spannungsteilers.

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